عبور از فیزیک کلاسیک

« (ساسانیفر) دکتر هوشنگ حق بین»

هوشنگ حق بین.jpg

پدیده هاى زیر باعث عبور از فیزیک کلاسیک شده اند:

تشعشعات جسم سیاه

پدیده فتو الکتریک

مشکلات در تیورى هاى اتمى و آزمایش رادرفورد

خاصیت دوگانه ذره وموج

 

اینجا به اختصار به انها میپردازیم:

جسم سیاه:

هر جسمى که در دماى T در حال تعادل حرارتى با محیط اطراف خود باشد نور تشعشع و جذب میکند. تشعشعات اجسام در محیط اطاق (حدود ٣٠٠ درجه کلوین) در مادون قرمز است. در حدود ١۵٠٠K، تشعشعات در محدوده قرمز میباشد. در حدود ۵٠٠٠K، که درجه حرارت سطح خورشید است، تشعشعات در منطقه نور سفید میباشد.

جسم سیاه بهترین جذب کننده و و بهترین تشعشع کننده میباشد. در تعادل حرارتى، جسم سیاه، تمام نورهایى را که به ان میتابد جذب میکند و به همان اندازه هم تشعشع میکند. یک جعبه سیاه که در ان یک سوراخ تعبییه شده باشد مدل خوبى براى جسم سیاه میباشد.

رابطه بین توان تشعشع، E، و چگالى انرژى، u، در حفره عبارت است از :

که در آن v فرکانس نور، T دما به درجه کلوین، و c سرعت نور است. اگر از تیورى آمارى کلاسیک (ماکسول-بولتزمن)، که در ان نور را یک گاز ایده آل در نظر میگرد، استفاده کنیم، رابطه زیر براى چگالى انرژى بدست میاید:

که در ان k ثابت بولتزمن میباشد.

این رابطه، در فرکانسهاى بالا، با تجربه مطابقت ندارد و به فاجعه ماوراء بنفش معروف است.

پلانک در اینمورد پیشنهاد کرد رابطه زیر را، که در ان نور ذره فرض میشود، به کار ببریم:

و با در نظر گرفتن رابطه امارى بوز-اینشتین که در مورد نور وسایر بوزون ها صادق است رابطه درست زیر را بدست اورد:

که با اتگرال گیرى روى همه فرکانسها، توان تشعشع بر واحد سطح از رابطه زیر بدست میاید:

که به قانون استفن-بولتزمن معروف است.

پدیده فتو الکتریک:

در این پدیده نور به فلزى با تابع کار W تابانده شده و إلکترون از سطح فلز ازاد میشود.فیزیک کلاسیک پیش بینى میکند که انرژى الکترون ازاد شده به شدت نور تابنده بستگى دارد. این نظریه کلاسیک هم با تجربه مطابقت ندارد.

اینشتین با استفاده نظریه پلانک توانست این مشکل را حل کندو جایزه نوبل را از ان خود کند. رابطه درست عبارتست از:

که در ان، سمت چپ معادله، انرژى جنبشى إلکترون ازاد شده میباشد و W بخشى از انرژى نور است که صرف ازاد کردن إلکترون از باند فلزى شده است.

این پدیده نشان میدهد که نظریه پلانک در مورد ذره اى بودن امواج الکترومغناطیس (فوتون)درست است.

ساختمان اتم:

بر أساس فیزیک کلاسیک، الکترون به هسته اى باندازه اتم چسبیده است. این نظریه با ازمایش رادرفورد مردود شناخته شد. او اتم هاى نقره را با ذرات الفا با انرژى ۵/۵MeV بمباران کرد. بر خلاف انتظاراو، تعداد زیادى از ذرات الفا به عقب برگشتند. این پدیده حاکى از انست که هسته بسیار کوچکتر از اندازه اتم است. اگر پروتون هاى هسته بصورت یک کره با بعد اتم میبود و بصورت یکنواخت توزیع شده بود، ذره الفا با انرژى ۵/۵MeV به راحتى میتوانست بر پتانسل دافعه کولنى فایق اید و با زوایاى کمتر از ٩٠ درجه پخش شود.

بالاخره، سطوح انرژى اتم هیدرژن، لزوم نظریه فیزیک کوانتمى را تایید میکند:

اتم بوهر:

درفرضیه بوهر، حرکت الکترون به دور هسته شبیه حرکت سیارات به دور خورشید میباشد. او با این فرض که ممنتوم زاویه اى کوانتیزه هست؛

n=1,2,3,…

توانست نتایج تجربى سطوح انرژى اتم هیدرژن را بدست اورد. ولى ممنتوم زاویه اى حالت زمینه اتم هیدرژن در واقع صفر است. بعلاوه طبق فیزیک کلاسیک، اتم هیدرژن نمیتواند پایدار بماند زیرا الکترون مدار در اثر شتاب دورانى و تشعشع به درون هسته فرو میریزد. تیورى بوهر کاملاً درست نبود.

دوگانگى:

ازمایشهایى که با نور و ذرات مادى مانند الکترون انجام شده نشان میدهد که همه چیز همزمان، هم خاصیت موج و هم خاصیت ذره دارد. علاوه بر فرضیه پلانک که به امواج الکترومغناطیس خاصیت ذره اى اطلاق کرد، دى بروى طول موج الکترون را محاسبه نمود:

که در ان h ثابت پلانک و p ممنتوم خطى الکترون است.

در ضمن، در اواخر قرن نورده و اوایل قرن بیستم، در پدیدهایى مانند پخش کامتون و پدیده هاى دیگر لزوم تعمیم به نسبیت خاص نیز ضرورى مینمود.

پدیده کامتون:

کامتون الکترون اتمى را با فوتون هایى که از هسته تشعشع شده بود بمباران کرد. در محاسبات این پدیده بایستى از نسبیت خاص انیشتین استفاده شود. با استفاده از اصل بقاء انرژى و ممنتوم رابطه زیر نتیجه میشود:

بطور خلاصه، فیزیک کلاسیک از دو جهت میبایست تعمیم پیدا میکرد، یکى تعمیم به دنیاى میکروسکوپى کوانتوم و دیگرى به دنیاى سرعت هاى زیاد نسبیت خاص و بالاخره تعمیم به فیزیک کوانتمى نسبیتى. البته نسبیت عام را که در ان فضا- زمان دینامیک مطرح است هم باید به فیزیک کوانتایى عام یا جاذبه کوانتایى تعمیم دهیم.

پاسخی بگذارید

%d وب‌نوشت‌نویس این را دوست دارند: